国际空间站环境暴露下超高分子量聚乙烯纤维增强富氢聚苯并噁嗪复合材料的辐射屏蔽性能与分子稳定性研究

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Radiation shielding performance and molecular stability of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber-reinforced hydrogen-rich polybenzoxazine composites following space environment exposure on the International Space Station

本文针对深空探索中宇航员辐射防护难题，开展了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强富氢聚苯并噁嗪复合材料在空间环境下的性能研究。通过在国际空间站(ISS)进行为期8个月的真实空间暴露实验，发现材料表面化学降解仅局限于最外层30 nm，而玻璃化转变温度(Tg)、短梁剪切强度等关键性能保持稳定，同时证实该复合材料对银河宇宙射线和太阳粒子事件具有显著辐射衰减效果，为长期太空任务提供了兼具结构功能与辐射防护的创新材料解决方案。

　　

随着人类深空探索梦想的逐步实现，航天器发射技术取得显著进展，但宇航员在长期太空任务中面临的辐射防护问题依然突出。银河宇宙射线(Galactic Cosmic Rays)和太阳粒子事件(Solar Particle Events)产生的电离辐射对宇航员健康构成严重威胁，而传统金属防护材料存在重量大、二次辐射等问题。在这一背景下，开发兼具轻量化、结构强度和优异辐射屏蔽性能的新型材料成为空间技术发展的关键挑战。

在这项发表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》的研究中，研究人员创新性地设计了一种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强的富氢聚苯并噁嗪复合材料，并通过在国际空间站(ISS)上进行真实空间环境暴露实验，系统评估了该材料在极端空间条件下的性能稳定性。选择富氢材料体系是基于布雷姆斯特拉隆效应(Bremsstrahlung Effect)理论——轻元素能有效减少高能粒子碰撞时产生的二次中子，而聚苯并噁嗪树脂本身具有高氢含量、低燃性、近零聚合收缩率等独特优势，与UHMWPE纤维的协同作用使其成为理想的空间辐射防护材料候选者。

研究团队采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、动态力学分析(DMA)和短梁剪切测试等关键技术方法，对经历8个月空间暴露的复合材料样本进行了系统表征。样本来源于NASA兰利研究中心制备的27层平纹编织Spectra 900纤维增强复合材料板，通过材料国际空间站实验(MISSE)-12项目暴露于国际空间站400公里低地球轨道(LEO)环境，重点考察了面向天顶方向(承受最强辐射)的样本性能。

分子结构分析

FT-IR分析显示，直接暴露于阳光的样本表面在3300 cm^-1处出现羟基宽峰，1800-1600 cm^-1区域出现多个羰基特征峰，表明原子氧攻击导致了氧化降解。XPS深度剖析进一步证实，这种化学变化仅限于材料最外层30 nm范围内，在30 nm深度处氧碳比(O/C)已恢复至纯聚苯并噁嗪的理论值。值得注意的是，受金属框架保护或背向太阳的样本未出现明显化学结构变化，说明高能宇宙射线本身并未引起材料降解。

理化机械性能

动态力学分析显示，空间暴露样本的玻璃化转变温度(T_g)为77°C，与对照组(76°C)无显著差异。短梁剪切强度测试中，暴露样本平均值为3.92 MPa，对照组为4.11 MPa，差异在实验误差范围内。密度测量结果也保持稳定(暴露组0.955 g/cm³，对照组0.943 g/cm³)，证明材料整体力学性能未受空间环境影响。

辐射屏蔽性能

热释光剂量计(TLD)测量数据显示，复合材料对空间辐射具有显著衰减作用。未屏蔽样本吸收剂量为0.379 Gy(剂量率1.504 mGy/天)，而0.92 cm厚度材料后剂量降至0.224 Gy(0.889 mGy/天)，4.92 cm厚度进一步降至0.187 Gy(0.742 mGy/天)，证实材料在较薄厚度下即可提供有效辐射防护。

研究结论表明，UHMWPE纤维增强富氢聚苯并噁嗪复合材料在真实空间环境中表现出卓越的稳定性。表面降解仅限于纳米尺度，不影响材料整体性能；辐射屏蔽效果显著，且氢元素优势有效降低了二次中子产生风险。这项工作不仅验证了该复合材料在长期太空任务中的应用潜力，还为多功能空间材料设计提供了重要参考，标志着航天辐射防护材料研究迈出了从地面模拟到空间验证的关键一步。未来研究可聚焦于更长时间的空间暴露实验和深空环境验证，进一步推动该材料在载人火星探测等任务中的实际应用。